1. Общие сведения

В процессе движения МТА или автомобиля нагрузка на двигатель существенно изменяется. Она зависит от скорости и ускорения автомобиля, количества пассажиров и массы перевозимого груза, качества дорожного покрытия и других факторов. Трактор в процессе эксплуатации агрегатируется с большим комплексом машин-орудий, имеющих широкий диапазон тяговых сопротивлений и требуемых скоростей. При этом желательно, чтобы двигатель трактора и автомобиля работал в оптимальном  режиме загрузки, когда работа машины наиболее производительна и экономична. Кроме того, трактор и автомобиль должны иметь возможность двигаться задним ходом и длительное время стоять на месте при работающем двигателе.   

При использовании на тракторе и автомобиле в качестве источника энергии двигателя внутреннего сгорания эти требования можно обеспечить только при условии, что конструкцией предусмотрена возможность изменения передаточных чисел трансмиссии. Для этой цели в ступенчатых трансмиссиях тракторов и автомобилей применяются такие агрегаты, как коробка передач (КП), у тракторов дополнительно - увеличитель крутящего момента (УКМ) и ходоуменьшитель, у автомобилей делитель (мультипликатор) или демультипликатор, которые являются агрегатами составной КП.  

Основная роль в изменении передаточных чисел отводится КП. Водитель выбирает нужную передачу в КП, желая получить необходимую скорость передвижения или нужный уровень загрузки двигателя. Если конструкция КП позволяет переключать передачи «на ходу», т.е. без остановки машины, то особых проблем с выбором передачи не возникает. Однако на некоторых тракторах применяют еще КП, допускающие включение передачи только при остановке трактора. Это создает определенные трудности и неудобства в случаях, когда условия движения требуют, например, временного увеличения крутящего момента на колесах (при преодолении подъемов, участков с большим сопротивлением движению, при  временном возрастании крюковой нагрузки, при повороте и т.д.) или уменьшения скорости движения  для совершения маневра. Водителю приходится сначала переходить на пониженную передачу, а затем опять возвращаться на основную, каждый раз предварительно останавливаясь и разгоняясь с места.

Для решения подобных проблем и предназначен УКМ устройство (дополнительная КП), позволяющее изменить передаточное число трансмиссии во время движения МТА.

Некоторые технологии сельскохозяйственного, промышленного и другого производства требуют пониженных скоростей движения МТА. Так, требуемые скорости рассадопосадочных машин и разбрасывателей удобрений лежат в пределах 0,1...0,7 км/ч, дождевальных установок, машин для уборки овощей - 0,65...1,5  км/ч,  роторных канавокопателей - 0,1...0,2 км/ч. Для реализации подобных скоростей в трансмиссию трактора часто устанавливают дополнительный агрегат ходоуменьшитель (дополнительная КП), позволяющий получать большие передаточные числа.

У автомобилей большой грузоподъемности и у автомобилейтягачей, постоянно работающих с прицепом или полуприцепом, часто применяют составную КП, состоящую из основной КП и дополнительной - делителя (мультипликатора) или демультипликатора.

Делителем ( мультипликатором ) называют повышающую дополнительную КП, располагаемую обычно перед основной КП и имеющую две передачи прямую с передаточным числом uк =1 и повышающую с передаточным числом uк <1. Делитель уменьшает разрыв между передаточными числами соседних передач и на 20…25% увеличивает диапазон изменения передаточных чисел в составной КП. 

Демультипликатором называют понижающую дополнительную КП, располагаемую обычно за основной КП и имеющую две или три передачи прямую с uк =1 и понижающие с uк >1. Демультипликатор увеличивает в 2…3 раза передаточные числа составной КП, значительно расширяя диапазон изменения передаточных чисел.

У колесных тракторов и автомобилей со всеми ведущими колесами  в состав трансмиссии входит раздаточная коробка . Это устройство, которое позволяет передавать мощность от КП к ведущим мостам.

Коробка передач ( КП ) предназначена для изменения общего передаточного числа трансмиссии, что обеспечивает:

-                    получение необходимой величины крутящего момента на ведущих колесах трактора или автомобиля при неизменном крутящем моменте двигателя;  

-                    получение различных скоростей движения трактора или автомобиля вперед при наиболее рациональной загрузке двигателя; 

-                    движение трактора или автомобиля задним ходом и длительную их стоянку при работающем двигателе вхолостую или при приводе стационарных агрегатов трактора от ВОМ. 

Коробки передач располагается обычно между ФС и центральной (главной) передачей трансмиссии, и представляют собой редукторы с набором валов и зубчатых колес. Последние вводятся во временные силовые связи для получения необходимого передаточного числа между входным и выходным валом. Так как число пар зубчатых колес ограничено, то и число передач (число возможных передаточных чисел) КП фиксировано. Чем больше число передач, тем больше возможностей для выбора режимов движения МТА и автомобиля, но тем сложнее и дороже конструкция КП и сложнее управление ее работой. 

Современные КП тракторов обеспечивают получение от 5 до 36 и более передач переднего хода, что связано с разнообразием работ, выполняемых, главным образом, универсальными  тракторами. При этом все передачи подразделяются на четыре диапазона, характерные для назначения трактора: основной (рабочий), резервный, транспортный и технологический (замедленный, иногда называемый рассадочно - посадочный). 

Основной диапазон служит для выполнения главных сельскохозяйственных или других работ, требующих высоких значений силы тяги на крюке трактора при допустимом буксовании его движителей и эксплуатационной загрузке двигателя близкой к номинальной. В этом диапазоне скоростей трактор работает наибольшее время эксплуатации. Число передач в  данном диапазоне зависит от типа и назначения трактора: обычно 3-7 и больше. 

Резервный диапазон передач (не более двух) служит для получения повышенных тяговых усилий примерно на 20...25% больше, чем на основном диапазоне. Он необходим для преодоления больших тяговых сопротивлений в экстремальных условиях эксплуатации МТА. 

Транспортный диапазон (1-8 передач) имеет передачи, позволяющие МТА двигаться в различных условиях профиля дороги и ее покрытия. 

Технологический диапазон необходим для выполнения работ, требующих стабильных небольших технологических скоростей движения МТА, особенно в сельскохозяйственном производстве и для тракторов трубоукладчиков. Число передач в этом диапазоне наибольшее - достигает 12-16. Следует отметить, что в этом диапазоне не всегда удается полностью использовать мощность двигателя трактора, несмотря на оптимальные варианты комплектации МТА.

Современные КП автомобилей обеспечивают получение от 4 до 10, иногда 16, а крайне редко даже 24 передач переднего хода.

В автомобильных КП обычно имеется одна передача заднего хода. В тракторных КП количество передач заднего хода обычно не более одной - двух, но в реальных конструкциях встречается и большее их число, вплоть до полностью реверсивных КП, когда число передач вперед и назад одинаковое.

Классификацию КП можно провести по следующим характерным признакам: 

-                    по способу образования шестеренной передачи;

-                    по способу зацепления шестерен;

-                    по методу переключения передач;

-                    по способу управления; 

-                    по расположению валов относительно продольной оси автомобиля или трактора;

-                    по конструктивной компоновке;  - по кинематической схеме.

По способу образования шестеренной передачи КП бывают с неподвижными осями валов, планетарные и комбинированные. В настоящее время большинство отечественных тракторов и автомобилей имеют КП с неподвижными осями валов. Планетарные передачи в отечественных тракторах и автомобилях пока имеют ограниченное применение, только как элементы отдельных устройств трансмиссии - увеличитель крутящего момента, ходоуменьшитель, механизм реверса или в качестве планетарный КП на промышленных тракторах. В зарубежном автотракторостроении достаточно широко применяются планетарные КП, особенно на промышленных тракторах. Если в КП применены оба способа образования передачи, то ее называют комбинированной.  

     По способу зацепления шестерен КП бывают с подвижными шестернями (каретками) и с шестернями постоянного зацепления. Принципиальные схемы элементов зацепления шестерен в нейтральном положении приведены на рис. 4.1.

На рис. 4.1,а включение передачи производится продольным перемещением каретки 2 (в данном случае двухвенцовой, для образования двух различных передач) по шлицам вала 1 до полного ее зацепления с одной из шестерен 4, неподвижно закрепленных на параллельном валу 3. Необходимо отметить, что в подобных конструкциях КП возможно применение только прямозубых цилиндрических шестерен.

Рис 4.1 Принципиальные схемы элементов зацепления шестерен в КП
1, 3 валы; 2 каретка; 4, 5, 8 шестерни; 6 зубчатая муфта; 7 зубчатый венец; 9 прижимное кольцо; 10 поводковое устройство; 11 пружинный фиксатор; 12 - зубчатая муфта синхронизатора; 13 наружный барабан фрикционных муфт

 

На рис. 4.1,б, в и г показаны три варианта блокировки свободно вращающихся шестерен (прямозубых или косозубых) постоянного зацепления с валом для включения передачи.

На рис. 4.1,б включение передачи производится продольным перемещением зубчатой муфты 6, установленной на зубчатом венце 7 вала 1, до полного ввода ее в зацепление с аналогичными венцами на ступицах свободно вращающихся шестерен 5 или 8.

На рис. 4.1,в включение передачи производится с помощью синхронизатора. Принцип работы синхронизатора заключается в том, что его зубчатая муфта 12 вала 1 может входить, в зацепление с зубчатыми венцами ступиц свободно вращающихся шестерен 5 или 8 только после предварительного выравнивания их угловых скоростей с валом 1 муфты. Это достигается посредством сил трения в контакте конусных поверхностей ступиц и прижимного кольца 9, имеющего упругую связь с поводковым устройством 10 муфты 12. После чего при дальнейшем  приложении осевого усилия к поводковому устройству 10 преодолевается сопротивление пружинных фиксаторов 11,  и  последующее  включение передачи  происходит легко и безударно.  

На рис. 4.1,г включение передачи происходит с помощью многодисковых фрикционных муфт М1 и М2 (чаще всего с гидравлическим нажимным механизмом), общий наружный барабан 13 которых соединен с валом 1, а их внутренние барабаны закреплены на ступицах блокируемых свободно вращающихся шестерен 5 и 8. В ряде случаев при использовании этого метода переключения можно отказаться от применения  ФС.

В планетарных КП применяют только шестерни постоянного зацепления.  

По методу переключения передач КП подразде-

ляются на переключаемые с остановкой машины (с разрывом потока мощности) и применяются только на тракторах и без остановки машины (без разрыва потока мощности или с кратковременным разрывом, не прекращающим вращение валов), применяются на автомобилях и тракторах. В первом случае включение передачи происходит при неподвижных валах, и МТА разгоняется с места на любой передаче. Такие КП обычно выполняют с каретками или блокировочными муфтами (рис. 4.1,а и рис. 4.1,б). Во втором случае КП выполняются с элементами переключения, представленными на рис. 4.1,в и рис. 4.1,г, или это коробки планетарного типа.

По способу управления  КП бывают с механическим, гидравлическим, пневматическим и электромагнитным механизмами переключения передач. Если в КП переключение передач производится с остановкой машины или без ее остановки, но с синхронизаторами, то обычно применяется управляемая вручную механическая рычажная система с тягами, перемещающими каретку или блокировочные муфты. 

Гидравлический и электромагнитный способы управления применяют в КП с переключением передач на ходу посредством многодисковых фрикционных муфт с дистанционным управлением. Если в КП применены оба метода переключения передач, то, как правило, переключение диапазонов производится рычажно-тяговой системой, а переключение передач внутри диапазона - блокировочными фрикционными муфтами.

По расположению валов относительно про дольной оси машины КП подразделяются на продольные и

поперечные. Последние чаще всего применяются на колесных тракторах малых тяговых классов 0,6 и 0,9 и переднеприводных легковых автомобилях, что позволяет уменьшить их продольную базу, улучшив, тем самым, их маневренность, и упростить центральную (главную) передачу их трансмиссий, заменяя коническую пару шестерен цилиндрической. 

По конструктивной компоновке  различают КП:

-                    выполненные в виде самостоятельного агрегата;

-                    выполненные вместе с другими агрегатами трансмиссии в общем корпусе заднего моста (применяются только на тракторах). Последняя компоновка характерна для КП с поперечными валами. По кинематической схеме КП подразделяются на

двухвальные, трехвальные, составные и специальные. Следует отметить, что термины двух и трехвальные КП относятся только к способу получения передач переднего хода для автомобиля и основного диапазона передач для трактора. Для получения передач других диапазонов и заднего хода в этих КП обычно имеются дополнительные валы и пары шестерен. Входной и выходной валы этих КП обычно называют первичным и  вторичным.

В  двухвальной КП поток мощности от первичного к параллельному вторичному валу всегда передается только через одну пару шестерен. Поэтому такую КП называют еще однопарной. 

В  трехвальной КП при получении основных передач поток мощности от первичного вала вначале передается через дополнительную пару шестерен постоянного зацепления к промежуточному валу и от него к параллельному вторичному валу через соответствующую пару шестерен. Таким образом, в трехвальной КП силовой поток на основных передачах всегда передается через две пары шестерен, почему ее и называют также двухпарной. В КП с продольными валами и соосным расположением первичного и вторичного валов есть возможность их замыкания и получения прямой передачи с передаточным числом равным единице. Для трактора она обычно является транспортной, а не основной.  

Составные КП  представляют собой комбинации двухвальных, трехвальных и планетарных КП, которые соединяют последовательно для увеличения общего передаточного числа и числа передач. Располагаются они или последовательно по продольной оси трактора или автомобиля в одном общем корпусе, или в отдельных картерах, фланцуемых друг к другу. Иногда составные КП компонуются комбинацией двухвальных КП, выполненных на параллельных валах в одном общем картере. Во всех случаях одна из КП является главной, посредством которой устанавливаются передачи внутри заданного их диапазона, а другая или другие КП предназначенны для выбора необходимого диапазона передач.  

Специальные  КП  имеют кинематические схемы, отличные от рассмотренных. К ним следует относить и разнообразные схемы планетарных КП.